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光学角度测量方法概述
时间:2022-01-26 22:22:03

4.2.2 定值角型任意角干涉测量技术 两块平面镜以一定的夹角排列而构成的光学组件即为定值角,用标准定值角取代迈克尔逊干涉仪中的测量干涉经就构成定值角干涉仪。天津大学根据该原理设计的一个双定值角型测角系统光路如图8所示。由激光器1初涉的光束经扩大镜组2、针孔滤波器3、准直透镜5、限束光阑6、平面反射镜7、分光镜8后分成两束,分别进入由长平面镜9和被检多面棱镜12构成的双定值角,经反射后在分光镜8上产生干涉,干涉信号由CCD元件4接收。这一路光称为多面棱体检定光路,与其对称的右半部分称为双定值角测量-跟踪干涉仪,工作原理与其完全相同。该系统能在0~360度范围内实现任意角度的高准确度测量,测量不确定度优于0.3""[27]。该方法的主要问题是标准定值角的加工及安装精度比较难保证,而且测量过程中需要一套双定值跟踪系统,结构比较复杂。 4.2.3 双频激光楔形平板干设法测量任意转角 利用双光线经过楔形平板时光程差变化与平板转角的关系,测得光程差的变化,从而得出相应的转角变化。系统基本原理如图9所示。由双频激光器发出的激光束经过分光镜分为两束,反射光经检偏器1后由光电接收器接收,形成参考信号。投射的一束光是测量光路,经过偏振偏光镜将偏振方向相互垂直的两路光分开,频率分别为f1和f2,两路光分别经过λ/4波片和楔形平板后由角锥镜反射回偏振分光镜铲射产生干涉信号,经检偏器后由光电接收器2吸收,将光电接收器1、2的信号送入信号处理电路,可得到多普勒频差,该频差值随光程差而变,即随平板移动而变化,因此可以得到楔形平板转角的信息。系统中光线4次通过楔形平板,采用了差动结构,可以消除楔形平板的平移和摆动误差产生的影响。该系统可以自动判别转台的转动方向,可测量360度范围内的转角,动态相应范围为4r/s。但是,系统灵敏度在整个测量方位内不是常数,为了克服这以缺点,使用在空间相互垂直的两套测量光路以消除90度和270度两个死点,这样就使系统的体积非常庞大,结构复杂。另外,由于使用多个角锥反射镜,使光路装调比较困难,很难在实际中应用。

为了解决以上问题,本文作者在此原理的基础上提出了一种基丁光栅楔形平板的双频激光干涉角度测量的新方法,可以简化测量装置,相应的提高系统灵敏度和测量精度。 由上所述可以看出激光干涉测角法的最大优点是准确度高、信号均匀性好、信噪比高,有希望达到通常方法达不到的准确度,因此在高精度角度测量中得到了大量的运用。其缺点是结构复杂,较难在现场使用。随着激光干涉测量仪器的改进及新型激光光源的诞生和改进,可以得到进一步发展。

5 环形激光测教法 环形激光器已发展成为在360度整周角度范围内的高测量精度和高测量分辨力的角度和角速度传感器,在惯性导航和角速度定位方面有重要的用途。环形激光是转速测量准确度最高的方法,转速测量相对准确度可达到10-6。研究环形激光器最多的国家是德国和俄罗斯。用该技术测角有以下优点: (1) 易实现自校,可以在测量过程中确定环形激光器的比例因子,从而大大减少了测量误差。 (2) 可以实现高速转角测量,动态响应范围宽。 (3)可以在转速测量的同时实现转角测量,还可以测量瞬态转速。缺点是加工工艺难以保证,成本高,对环境要求严格,这是环形激光器没有得到大量应用的最主要原因。主要误差来源是频锁、零飘、频率牵引和地球自转的影响。 环形激光测角的基本原理如图10所示。当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时,在瞄准轴与量具棱面发现相重合的瞬间,被测角度转换成由光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔,接口装置在此间隔内对环形激光脉冲读数[31]。圣彼得堡电子大学和PTB合作研制的精密环形激光测角计可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量和测角仪本身的内部旋转角测量。该装置的原理和上面介绍的基本相同。为了消除环形激光器比例系数绝对值长时间波动引起的测量误差,与测量过程同时进行激光器校准,即用2π角度(整转)内的周期数相加的方法确定环形激光器差频周期角值。与标准角度测量方法相比,该装置在1r/s的转速范围内,测量准确度达到0.5μrad(0.1"")[32]。他们还将环形激光用于衍射光谱仪衍射角的测量,在0度到360度范围内测量误差大约为0.05弧秒[33]。 --Content End-->

6 结论 通过对目前常用的几种光学测角的方法的介绍可以看出,光学测角法在角度测量中已经得到了广泛的应用,并且达到了很高的测量精度。圆光栅在角度测量中的应用非常广泛,在整周任意角度的测量中也达到了极高的准确度。其缺点是对光栅与转台的对心准确度要求较高,高准确度光栅的制作加工困难。光学内反射法小角度测量的主要优点是体积小,可以做成袖珍式测角仪,但其测量范围也很小,因此只能用于小角度测量。激光干涉测角技术的最大优点是测量精度高,小角度测量已经达到了极高的准确度,各种不同的测量仪器在静态和动态测量的条件下也具有结构简单、稳定性好、仪器只能化等许多优点。作适当的改进,消除误差因素可进行整周角度测量。但目前的效果不很理想,测量精度不是很高,而且体积庞大,不适合在现场使用,因此还需要作进一步研究。在整周角度测量中,环形激光器被认为优于目前其他技术。该方法的缺点是只能实现动态测量,对测量条件要求很高,但该方法在动态整周角度测量方面是一个非常有前途的发展方向。

关键词: 概述 方法 测量 角度 光学

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